PCIe-Digitizer von Spectrum

Jetzt mit FPGA-basiertem Block Average

12. Oktober 2022, 14:42 Uhr | Nicole Wörner

Die Digitizer der M5i.33xx-Serie umfassen Ein- und Zweikanalmodelle mit Abtastraten von bis zu 6,4 GS/s, 12 Bit-Auflösung, Streaming bis zu 12,8 GB/s und mit der neuen Option auch leistungsstarkes Block Averaging.

Eine neue Firmware ermöglicht es den Digitizerkarten M5i von Spectrum Instrumentation, eine Onboard-Summenmittelung durchzuführen. Dieses Block Averaging reduziert unerwünschtes Signalrauschen und verbessert gleichzeitig die Auflösung, den Dynamikbereich und das Signal/Rausch-Verhältnis.

Die Summenmittelung erfolgt mittels FPGA-Technologie direkt auf der PCIe-Karte.

Im März dieses Jahres hatten die M5i-Digitizer von Spectrum Instrumentation aufgrund ihres extrem schnellen Daten-Streamings für Aufsehen gesorgt. Die Karten bieten Abtastraten von bis zu 6,4 GSamples/s bei 12 bit Auflösung und können alle erfassten Daten mit bahnbrechenden 12,8 GB/s direkt über den PCIe-Bus streamen. Dank der neuen Option können erfasste Signale jetzt außerdem mit einer erstaunlichen Rate von bis zu 15 Millionen Ereignissen pro Sekunde gemittelt werden.

Die Summenmittelung (Summation Averaging)

Die Summenmittelung ist eine oft genutzte, zeitbasierte Processing-Methode, um die zufällige (unkorrelierte) Rauschkomponente eines Signals zu reduzieren und das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR) zu verbessern. Dabei wird gleichzeitig die Messauflösung und der Dynamikbereich eines Digitizers erhöht. Bild 2 zeigt ein Beispiel, wie durch Summenmittelung ein von starkem Rauschen völlig verdecktes Signal freigelegt werden kann.

In diesem Beispiel wird ein Signal mit niedrigem Pegel (ungefähr 3 mV) vollständig durch zufälliges Rauschen verdeckt (rote Wellenform). Während das Quellsignal in der ursprünglichen Single-Shot-Aufnahme nicht einmal sichtbar ist, zeigt eine 10-fache Mittelung, dass tatsächlich ein Signal mit 5 Spitzen vorliegt (gelbe Wellenform). Eine 1000-fache Mittelung verbessert die Signalqualität extrem und enthüllt die wahre Form des Signals, komplett mit sekundären Maxima und Minima (grüne Wellenform).

Für die Summenmittelung ist es ideal, wenn das Rauschen und das Signal unkorreliert sind, d.h. das Rauschen ist zufällig (Random-Noise), während sich das Signal wiederholt. In diesem Fall kann die Summenmittelungsfunktion das Signal/Rausch-Verhältnis proportional zur Quadratwurzel der Anzahl von Messungen (oder Mittelwerten) verbessern. Beispielsweise kann die 256-fache Mittelung eines Signals das SNR um bis zu 24 dB verbessern und die Messauflösung um etwa 4 bit erhöhen. Daher eignet sich diese Technik perfekt, um die 12-bit-Auflösung der M5i-Digitizer zu vergrößern.

Threshold Defined Averaging (TDA)

Um das Averaging noch effektiver zu gestalten und um Ereignisse zu erkennen und zu mitteln, die sonst im Hintergrundrauschen untergehen, enthält die neue Option eine Datenunterdrückungs-Methode namens “Threshold Defined Averaging” (TDA). Mit TDA kann der Benutzer einen Schwellenpegel (Threshold) festlegen, damit nur Abtastwerte zur dargestellten Wellenform beitragen, die diesen Pegel überschreiten. Abtastwerte unter dem eingestellten Pegel (Baseline Noise Samples) werden unterdrückt, indem sie auf null oder alternativ auf einen benutzerdefinierten Wert gesetzt werden. Bild 3 zeigt ein Blockdiagramm der FPGA-Funktionalität und Bild 4 stellt das Schema des TDA-Prozesses dar.

Weil alle Signaldaten, die unterhalb des Schwellenwerts liegen, aus dem gemittelten Signal entfernt werden, kann TDA ein sehr nützliches Werkzeug sein, um korreliertes (synchrones) Rauschen mit niedrigem Pegel und andere Signal-Artefakte, wie z. B. Grundliniendrift, zu unterdrücken. Dies sind Signal-Anomalien, die nicht durch herkömmliche Summenmittelung beseitigt werden können.

»Die M5i-Digitizer und die neue Option bilden eines der leistungsstärksten Block-Averaging-Systeme, die heutzutage erhältlich sind«, sagt Oliver Rovini, Technischer Leiter bei Spectrum Instrumentation. »Die FPGA-basierte Verarbeitung ermöglicht eine ultraschnelle Mittelwertbildung, selbst bei komplexen und langen Signalen. Tatsächlich steht genügend Rechenleistung zur Verfügung, um Signale zu mitteln, die bis zu 1 MSample pro Segment enthalten.« Die Kombination aus Spectrums neuen Flaggschiff-Digitizern und der Block-Averaging-Option sei für alle HF-Anwendungen interessant. Besonders dann, wenn schmale Impulse mit niedrigen Pegeln verarbeitet würden, oder wenn Signaldetails aufgrund von starkem Rauschen verloren gingen. »Dazu gehören Einsatzbereiche wie Lidar, Radar, Sonar, Massenspektrometrie, Radioastronomie, Automatisierung, Biomedizin, Kernphysik, Kommunikation und viele mehr.«

Die neue Option (M5i.33xx-spavg) ist ab sofort für alle PCIe-Digitizer der M5i-Serie (M5i.33xx-x16) verfügbar.